Estudio numérico-experimental de la ignición y combustión del propano en un motor de encendido por compresión de carga homogénea (HCCI) a condiciones de Medellín

Abstract

RESUMEN: Esta investigación propone un estudio experimental de la combustión HCCI en un motor de combustión interna operado con propano como combustible, implementado un control de temperatura en la admisión, suministro de combustible y análisis termodinámico en tiempo real, permitiendo obtener los límites de operación y determinar su comportamiento estable y seguro. Para esto se propone un motor diesel estacionario de cuatro tiempos, y dos cilindros, el cual es acondicionado para el funcionamiento en combustión HCCI. También estos resultados son comparados con resultados de un estudio numérico de bajos costos computacionales demostrando su utilidad como herramienta para el diseño inicial de esta clase motores. Para el control del motor y sus principales variables de operación en modo HCCI, se desarrolló un sistema de suministro de combustible usando toberas convergentes acelerando el combustible gaseoso hasta las condiciones sónicas. El control de temperatura en la admisión fue realizado a través de un calentador eléctrico compacto enlazado a un sistema PID con alta respuesta para disminuir la dispersión cíclica. Por su parte la velocidad de giro del motor, fue controlada con variadores de frecuencia acoplados a un sistema en serie de motor-generador eléctrico. Factores como la refrigeración del motor, la forma del pistón y relación de compresión fueron modificadas para lograr el fenómeno. Los datos de operación recolectados fueron analizados usando un modelo diagnostico termodinámico, el cual supone una presión uniforme a lo largo de toda la cámara de combustión. El fenómeno pudo ser obtenido para dosados relativos entre 0.1 y 0.4 como es reportado normalmente en la literatura. Dadas las condiciones de operación de 1800rpm, presión atmosférica para la ciudad de Medellín de 84.7kPa, una relación de compresión de 17.4:1 y las condiciones de refrigeración, se obtuvo el fenómeno para un rango de temperaturas de admisión entre 260°C y 290°C. Como resultados más importantes, y bajos las condiciones anteriormente mencionadas, se obtuvo un IMEP máximo cercano a 1.0bar, operando el motor a una eficiencia indicada máxima cercana al 20%. La dispersión máxima estuvo cercana al 9% asociada a la variación del IMEP para 100 ciclos medidos consecutivamente. Se pudieron obtener valores máximos de intensidad de Ringing, variable asociada directamente a la detonación indeseable, cercanos al 32MW/m2. Desde el punto de vista de emisión de contaminantes, se obtuvieron valores máximos de 0.8% para el monóxido de carbono (CO) y 130ppm para los óxidos de nitrógeno (NOx). También se pudo apreciar el efecto considerable que tiene el control empleado para la temperatura de admisión y su relación directamente proporcional con el enfazado de la combustión. Finalmente, las simulaciones cero-dimensionales de una zona mostraron unos resultados aceptables para la predicción de los posibles rangos de ampliación de la operación del motor. Por esto se determinó que controlando la temperatura de admisión de a un valor inferior podría obtenerse máximo un IMEP de 2.3bar para las condiciones de Medellín. También se muestras que el efecto del cambio de la composición del combustible, en este caso GLP, casi despreciable sobre la ignición y el enfazado de la combustión.